一种多层纸基微流控芯片设计

本文设计了一种多层纸基微流控芯片，将检测区域所在的检测层设计为可旋转结构，通过旋转检测层，芯片可以由冲洗步骤所需的溶液通道连通状态变换为反应步骤所用的溶液停留状态。

本文设计的纸基微流控芯片如图 1 所示。芯片结构包括 5 个检测单元、微通道网络、分离层、可旋转的检测层、吸收层、固定的旋转轴和 PVC 背板。

图 1

其中分离层和检测层所用的基底材料为 Whatman 1 号滤纸，需要通过喷蜡打印、加热和切割等方式制作出亲水微通道和疏水屏障，吸收层使用 Whatman 3MM  层析纸，只通过切割的方式加工其特定的亲水通道。

图 2

芯片多层结构设计的目的是在芯片上实现多通道同时检测，可以通过调整圆形的可旋转检测层使上层与下层的微通道连接或断开，实现阀门开关式的操作。

如图 2 该芯片设有 5 条微通道网络和 5 个检测单元，分离层位于最上层，其每条亲水微通道与下面吸收层的微通道在一条直线上，可旋转的检测层位于分离层和吸收层之间，检测层上的圆形亲水区域作为连接枢纽，可以控制分离层与吸收层通道之间的连接状态。

在上下通道呈连接状态时，检测层亲水区的上表面与分离层的微通道接触，下表面与吸收层的微通道接触，此时溶液可以从分离层的中心区域，依次通过分离层的微通道、检测层的圆形亲水区域、吸收层的微通道，最终到达吸收层。

当检测层旋转约 36°（即分离层微通道之间夹角的二分之一）之后，上下通道将呈断开状态，此时分离层与吸收层的微通道均只接触到检测层的疏水区域，溶液流动通道被隔离开，检测层的圆形亲水区域则单独裸露出来，进行免疫反应与检测，确保检测层的亲水区域上的溶液不会流失。

对纸基微流控芯片进行实际操作时，仅有检测层可以旋转，其他层均固定不动。需要在检测层的亲水区域上进行反应或单独添加试剂时，纸芯片的通道为断开状态；而同时在亲水区域上添加样品或者同时对它们进行冲洗时，纸芯片通道需要切换至连接状态。只需要旋转检测层就可以实现两种状态的转换。 

1 分离层

分离层的功能为将滴加在芯片中心的样品和试剂沿着芯片径向均匀地向外流动到五个通道中。这种由一到多的分散式结构设计可以将溶液等量分配，使芯片同时对多个区域进行操作和检测。

图 3

分离层选取的材料为 Whatman 1 号滤纸，亲水区域不经处理呈白色，疏水区域为黑色。 

使用分离层的目的是使得溶液可以同时添加到五个检测区域中，以消除因不同反应时间或冲洗时间所引起的实验误差。

图 4

2 检测层 

检测层也即反应层，是纸基微流控芯片的核心反应部分，所有的免疫反应与实验优化都在检测层的五个亲水区域中进行。

通过对五个亲水微区域进行功能化修饰，可以实现对目标分析物的双抗夹心法检测。检测层选取的材料为 Whatman 1 号滤纸，亲水区域不经处理呈白色，疏水区域为黑色。 

图 5

检测层中间圆形区域为孔洞，直径为 8 mm，固定的旋转轴将穿过该孔，使检测层绕该轴进行旋转，因此检测层沿着疏水区域被切割为一个纸环。

检测层上的 5 个圆形亲水区域在环上均匀分布，位于检测层上面分离层的微通道能够接触到这些区域。

图 6

3 吸收层 

吸收层的作用是吸收冲洗后的多余冲洗液，该层是溶液在无驱动纸基微流控芯片上流动的主要动力源，吸收层的吸水性越强，毛细虹吸作用越好，溶液在纸基芯片上的流动性就越强。

本文吸收层采用的材料为 Whatman 3MM  层析纸。相比分离层与检测层所用的 Whatman 1 号滤纸，Whatman 3MM  层析纸厚度更大，硬度更强，具备更出色的吸水性能，遇水湿润后不易变形。

吸收层可以根据不同吸水量的要求，设置为不同的大小和形状，而且还可根据需求不限次数地一层层进行叠加。

图 7

吸收层中间切割一个直径为 25 mm 的孔，在切割时留出 5 个均匀径向分布的微通道向孔中心延伸。中间孔的直径与检测层的直径均为 25 mm，目的是使检测层能正好放置在吸收层的中心，检测层的 5 个亲水区域能够分别与吸收层的微通道接触。 

图 8

4 PVC 基板与旋转轴 

为固定整个芯片，使之便于旋转和移动等操作，本文采用单侧具有粘性的 PVC 基板用于将吸收层与旋转轴粘贴在 PVC 板上进行固定。

5 纸基微流控芯片的制备与组装 

纸基微流控芯片的分离层与检测层所用的材料均为 Whatman 1 号滤纸，该材料孔径为 11  μm，相比普通滤纸的溶液流速更快，负载力更强，层析效果良好，被广泛应用在化学分析实验中，是良好的免疫反应载体材料。

纸基微流控芯片的吸收层为 Whatman 3MM  层析纸，该材料厚度中等，约 0.34 mm，硬度高，润湿后强度高，具有出色的吸水性能，在本文中用作吸水材料。

本文采用蜡打印并加热的方法来批量制备芯片的每一层。在软件中完成分离层与检测层的疏水区域与亲水通道以及每一层的形状尺寸后，采用喷蜡打印机将黑色蜡按照预期图案打印到 20×20 mm 的Whatman  1 号滤纸上。

如图 2 所示，在 Whatman  1 号滤纸上表面形成了特定图案的黑色蜡层，每张纸可分别加工 72（9×8）个分离层和 36（6×6）个检测层。

图 9

待蜡图案冷却成形后，将纸张平放到加热板上，以 120 °C 恒温加热 90 s，其目的是将滤纸表面的固体蜡熔化，使黑色蜡液充分渗透到纸张内部形成特定图案的疏水屏障，这样就加工出了分离层和检测层的亲水通道和亲水区域。

对于吸收层采用激光切割机将每张 Whatman 3MM  层析纸按设计图案进行切割即可。

6 分离层所需样本量的确定 

为了准确地将相同体积的试剂添加到五个检测区域，首先确定需要额外添加到分离层上溶液的体积。

如图 10 所示，分别将 5 μL，10 μL 和 15 μL 的蓝色墨水滴加到纸基微流控芯片分离层的中心位置。

图 10

当体积为 5 μL 时，溶液无法填充满整个分离层，未能流动到下层的检测区域；

当体积为 15  μL 时，溶液填充满了分离层的所有通道，但此时已经有大量的溶液流动到了检测层，说明分离层的溶液体积过量；

当体积为 10  μL 时，溶液填充满了分离层的所有微通道，并且有趋势向着下层的检测区域渗透，说明此时的溶液体积正好是填满分离层所需的溶液的量。

因此选取 10  μL 作为上样量中所需的额外的溶液体积。

假设需要在每个检测区域分别添加 x μL  的溶液，则实际需要添加在分离层的溶液的体积 V = 5x + 10 (μL)。

审核编辑：刘清